【摘要】熱管道在國內(nèi)的使用領(lǐng)域很廣，在國內(nèi)很多能源的輸送過程中都需要用到熱管道，因此熱管道布置和應(yīng)力分析問題需要得到我們的重視，本文將從以下幾個(gè)方面來分析熱管道布置和應(yīng)力分析的問題。 

　　【關(guān)鍵詞】熱管道；布置；應(yīng)力；分析 

　　中圖分類號：TE832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 

　　一、前言 

　　熱管道布置會影響熱管道的使用效果，而熱管道的應(yīng)力分析也是安裝熱管道的重要環(huán)節(jié)之一。因此，我們對熱管道布置和應(yīng)力分析進(jìn)行研究很有現(xiàn)實(shí)意義，研究的結(jié)果將能夠進(jìn)一步的提高熱管道的使用效果。 

　　二、熱力管道的特性 

　　熱力管道除具有一般內(nèi)壓管道的特性外，管道輸送熱介質(zhì)時(shí)還具有明顯的軸向應(yīng)力和軸向位移，需正確使用各種管托及采取補(bǔ)償措施來吸收應(yīng)力和抵消位移。若沒有合理的補(bǔ)償，管道伸縮會受阻，在管道內(nèi)部引起很大的內(nèi)力，會破壞焊縫、引起或加速焊縫應(yīng)力腐蝕，損壞管件、支架、閥門及儀表一次部件等，因此熱力管道的重中之重是熱力補(bǔ)償器和管托的設(shè)置和安裝。常見的補(bǔ)償有自然補(bǔ)償和補(bǔ)償器補(bǔ)償。自然補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償量小且管道產(chǎn)生橫向位移大，因此采用補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償是行之有效的途徑。 

　　三、設(shè)計(jì)的基本原則 

　　熱力管道設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則： 

　　1、滿足工藝要求，達(dá)到生產(chǎn)需要； 

　　2、為安裝施工和維修操作與管理提供方便； 

　　3、創(chuàng)造安全運(yùn)行環(huán)境； 

　　4、管道走向合理，結(jié)構(gòu)形式與組件組合適當(dāng) 

　　5、排列規(guī)范有序 

　　6、合理選擇材料，力求經(jīng)濟(jì)可靠。 

　　熱力管道區(qū)別于其他管道的最大特點(diǎn)是關(guān)于它的熱應(yīng)力（即鋼材熱脹冷縮時(shí)產(chǎn)生的力），也稱為二次應(yīng)力。對于常溫管道在設(shè)計(jì)時(shí)只作一次應(yīng)力（即由管道內(nèi)壓和作用于管道的持續(xù)外載而在管道內(nèi)部產(chǎn)生的正應(yīng)力或剪應(yīng)力）分析，它是結(jié)構(gòu)為滿足靜力平衡條件而產(chǎn)生的，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過屈服極限時(shí)，材料進(jìn)入屈服狀態(tài)，靜力平衡條件得不到滿足，管道會產(chǎn)生變形直至破壞。而對于熱力管道除進(jìn)行一次應(yīng)力分析外，更重要的是要重視對二次應(yīng)力影響的分析和控制，從而保證熱力管道的質(zhì)量與安全。 

　　四、管道應(yīng)力分類和任務(wù) 

　　1、應(yīng)力分類 

　　管道在內(nèi)壓、持續(xù)外載以及熱脹、冷縮和其它位移等載荷作用下，其最大應(yīng)力往往超過材料的屈服極限，使材料在工作狀態(tài)下發(fā)生塑性變形，另外高溫管道的蠕變和應(yīng)力松弛，也將使管系上的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。對于不同種類的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)區(qū)別對待，根據(jù)它可能產(chǎn)生的效應(yīng)和對于破壞所起的作用不同，給與不同的限定。管道上的應(yīng)力，一般分析一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力三類。一次應(yīng)力(Primary Stress)是指由于外加荷載，如壓力和重力等的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。一次應(yīng)力的特點(diǎn)是：滿足與外加荷載的平衡關(guān)系，隨外加荷載的增加而增加，且無自限性，當(dāng)其值超過材料的屈服極限時(shí)，管道將產(chǎn)生塑性變形而破壞。管道承受的介質(zhì)內(nèi)壓、自重、介質(zhì)重量等持續(xù)外荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力。二次應(yīng)力(Secondary Stress)是由于管道變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，它不直接與外力平衡，二次應(yīng)力的特點(diǎn)就是具有自限性，當(dāng)管道局部屈服和產(chǎn)生小量變形時(shí)應(yīng)力就能降下來。二次應(yīng)力過大時(shí)，將使管道產(chǎn)生疲勞破壞。在管道中，二次應(yīng)力一般由熱脹冷縮和端點(diǎn)位移引起。峰值應(yīng)力(Peak Stress)是管道或附件由于局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力效應(yīng)(包括局部應(yīng)力集中)附加到一次應(yīng)力或二次應(yīng)力的增量。 

　　2、管道應(yīng)力分析的任務(wù) 

　　（一）為了使管道和管件內(nèi)的應(yīng)力不超過許用應(yīng)力值； 

　　（二）為了使與管系相連的設(shè)備的管日荷載在制造商或國際規(guī)范（如NEMASM-23、API-610、API-617等）規(guī)定的許用范圍內(nèi)； 

　�。ㄈ�）為了使與管系相連的設(shè)備管口的局部應(yīng)力在ASMEV的允許范圍內(nèi)； 

　�。ㄋ模�為了計(jì)算管系中支架和約束的設(shè)計(jì)荷載； 

　�。ㄎ澹�為了進(jìn)行操作工況碰撞檢查而確定管于的位移； 

　�。�六）為了優(yōu)化管系設(shè)計(jì)。 

　　五、熱管道布置與應(yīng)力分析 

　　1、熱管道布置 

　　根據(jù)多年來熱管道布置與應(yīng)力分析的經(jīng)驗(yàn)，盡量依據(jù)下述原則布置的管道，其應(yīng)力較易驗(yàn)算合格，管端推力和力矩較易滿足要求。對于平面管系，管道布置應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況通過設(shè)置合適的固定點(diǎn)使管道布置成柔性較大的管系形狀，如:“L’’形、“II”形、“S”形、“Z”形、形等。對于立體管系，管道布置應(yīng)盡量按照“正方體邊線”形狀布置。如汽輪機(jī)進(jìn)汽主蒸汽管為減少對汽輪機(jī)管口的力和力矩，其管道形狀常布置成環(huán)形形。對于長距離熱管系，管道布置應(yīng)通過設(shè)置合適的固定點(diǎn)使管系簡化，兩固定點(diǎn)間管道采用“II”形、“立體II”形補(bǔ)償器補(bǔ)償。 

　　對管道形狀進(jìn)行布置后，就必須確定管道支吊架的間距、型式。管支吊架間距必須滿足兩個(gè)條件: 

　　(一)強(qiáng)度條件，管道附件的重量以及其它荷載引起管道產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力不超過許用值�！� 

　　式中，q—管道的單位荷重，kg/m 

　　W—管道斷面抗彎矩 　 

　　—管道的環(huán)向焊縫系數(shù) 

　　—管材在熱態(tài)時(shí)的基本許用應(yīng)力， 　 

　　(二)剛度條件，即限制管道的撓度值。 　　 

　　I—管道斷面慣性矩， 

　　根據(jù)上述條件確定管道基本跨距為水平直管支吊架間距。對于水平方向改變的管道，其管道支吊架間距為水平直管支吊架間距的0.73倍。管道支吊架有:滑動、導(dǎo)向、固定、彈吊支、剛吊等，支吊架型式的選用視現(xiàn)場情況或應(yīng)力分析結(jié)果而定。對于長管道兩固定支架間用II形、立體II形補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)墓潭�點(diǎn)最大間距的確定，應(yīng)根據(jù)①補(bǔ)償器的尺寸；②現(xiàn)場實(shí)際情況；③管托、支架、管道間允許的熱位移量；④固定點(diǎn)最大允許間距表等方面綜合考慮。對于“L”形、“Z”形自然補(bǔ)償，其臂長應(yīng)盡量相等，其臂長之和不得大于水平管道固定點(diǎn)最大允許間距的0.7—0.8倍。 

　　2、管系是否作完整應(yīng)力分析的判別 

　　經(jīng)過初步布置的管系，若逐一計(jì)算每一根管道的話，必將耗費(fèi)大量的人工時(shí)。一般地，輸送非有毒介質(zhì)的常溫管道按照上述方法布置的管道可不作完整應(yīng)力分析。對能滿足下列判別式的管系，也可以不作完整應(yīng)力分析。 　 

　　除此以外的所有管系均需作應(yīng)力分析，特別是高溫、高壓管線，與泵、汽輪機(jī)、壓縮機(jī)等連接的熱管線。 

　　3、管道應(yīng)力分析及管道布置調(diào)整 

　　管道應(yīng)力分析的目的： 

　　進(jìn)行管道應(yīng)力分析的目的，根據(jù)工程上的要求，主要有以下幾個(gè)方面：(一)為了使管道應(yīng)力在規(guī)范的許用范圍內(nèi)；(二)為了使設(shè)備管口荷載符合制造商或公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)；(三)為了使與管道連接的容器應(yīng)力保持在其規(guī)定的許用范圍內(nèi)；(四)為了計(jì)算出各種支撐及約束的設(shè)計(jì)載荷；(五)為了確定因各種沖擊所導(dǎo)致的管道位移；(六)解決管道動力學(xué)問題，如管道的機(jī)械振動，流體錘等；(七)幫助配管優(yōu)化設(shè)計(jì)。 

　　管道應(yīng)力分析步驟: 

　　(一)對已經(jīng)布置好的管系劃分計(jì)算范圍。 

　　(二)初步?jīng)Q定管道的支吊點(diǎn)型式。對于水平管道常布置為滑動點(diǎn)、吊架等，對有垂直位移的管道常布置為彈簧支吊點(diǎn)，具體確定可通過全彈簧計(jì)算確定。 

　　(三)對管系進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算。 

　　(四)根據(jù)管道應(yīng)力分析結(jié)果，對管道布置進(jìn)行調(diào)整，對各支點(diǎn)位置、支點(diǎn)型式進(jìn)行調(diào)整，直至管道應(yīng)力及管端、各支點(diǎn)作用力及力矩符合要求為止。 

　　(五)將管端推力和力矩作為外載荷，校核和管端相連的設(shè)備、機(jī)泵等機(jī)械強(qiáng)度，管端的最大推力和力矩應(yīng)能滿足設(shè)備安全承受的要求。管端的推力和力矩過大的調(diào)整方法有①合適位置加合適量冷緊；②調(diào)整管系形狀，增大柔性。③管端附近加設(shè)導(dǎo)向支架等。 

　　(六)管道固定點(diǎn)的力和力矩，管系中支點(diǎn)的作用力作為管架的設(shè)計(jì)依據(jù)，提結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件時(shí)用。 

　　(七)管系中各支吊點(diǎn)的作用力、位移量是彈簧支吊架設(shè)計(jì)的依據(jù)。 

　　六、結(jié)束語 

　　要想提高熱管道未來的使用效果，就必須不斷的提高熱管道的布置水平，不斷的研究其應(yīng)力的要點(diǎn)，只有將兩者統(tǒng)籌兼顧起來分析，才能夠提高熱管道的使用效果。 

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